Nghiên cứu và phân tích phổ tần số rung của động cơ nhằm đánh giá tình trạng làm việc của động cơ

Tuy nhiên chưa xơy dựng được biểu đồ pha của tín hi u dao đ ng, chưa phát triển r ng để chẩn đoán hư h ng ở khớp nối, truyền đai, v.v Nguy n Văn Nghĩa [03] đã nghiên cứu những vấn đề ch

M C L C

Quyết định giao đề tƠi

Xác nhận của cán b hướng d n

Lý l ịch khoa học i

L ời cam đoan ii

T óm tắt iv

Astract v

Mục lục vi

Danh sách các ch ữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xii

Chương 1 T NG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đ tƠi 1

1.2 Tình hình nghiên c u trong vƠ ngoƠi nức 2

1.3 Ṃc đích c̉a đ tƠi 5

1.4 Nhịm ṿ vƠ gíi hạn đ tƠi 5

1.4.1 Nhi m vụ đề tƠi 5

1.4.2 Giới hạn đề tƠi 5

1.5 Phương ph́p nghiên c u 5

Chương 2 C S LÝ THUY T 6

2.1 Lý thuyết rung đ ng ḿy 6

2.1.1 Định nghĩa rung đ ng 6

2.1.2 Tính chất của rung đ ng 7

2.1.3 Miền thời gian 8

2.1.4 Miền tần số 9

2.2 Rung đ ng c̉a đ ng cơ 10

2.2.1 Hư h ng ở bugi 11

2.2.2 Xéc măng bị mòn 11

2.2.3 Không cơn bằng do quán tính 12

2.2.4 Phư ng pháp tính tần số rung của đ ng c 12

2.2.5 Hậu quả của rung đ ng 12

2.3 Phương ph́p xử lý vƠ ng ḍng phân tích ph c̉a tín hịu rung 13

2.3.1 LỦ thuyêt tín hi u vƠ x lỦ tín hi u 13

2.3.2 Phư ng pháp phơn tích tín hi u rung đ ng 14

2.3.2.1 Phư ng pháp phơn tích hình bao 14

2.3.2.2 Phư ng pháp phơn tích Kurtosis 15

2.3.2.3 Phé p biến đổi Fourier FFT 16

2.3.2.4 ng dụng biến đổi Fourier để phơn tích tín hi u rung đ ng 18

2.3.3 C ảm biến đo rung đ ng 20

2.4 Ph ần m m LabVIEW 23

2.5 Phần m n PSoC Designer 24

2.6 Phần m n Ocard 24

Chương 3 MỌ HỊNH TH C NGHIỆM CH̉N ĐOÁN K THU T Đ NG C 25

3.1 T ng quan mô hình th c nghịm chẩn đón k thuật c̉a đ ng cơ 25

3.1.1 S đồ tổng quan mô hình thực nghi m 25

3.1.2 Cấu trúc vƠ nguyên lỦ hoạt đ ng mô hình thực nghi m 26

3.2 Thiết kế, chế tạo b TVE –T01 chẩn đón k thuật đ ng cơ 27

3 2.1 Quy trình thiết kế vƠ chế tạo 27

3.2.2 Thiết kế phần cứng 27

3.2.2.1 Thiết kế khối nguồn 27

3.2.2.2 Thiết kế khối vi điều khiển PSoC 29

3.2.2.3 Thiết kế khối A/D 33

3.2.2.4 Thiết kế khối UART 34

3.2.2.5 Thiết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc 34

3.2.2.6 Thiết kế khối truyền dữ li u 34

3.3 Thiết kế phần m m 37

3.3.1 Thuật toán chư ng trình điều khiển, x lỦ dữ li u 37

3.3.2 Lập trình điều khiển trên board mạch thu thập vƠ x lỦ dữ li u 38

3.3.3 Lập trình điều khiển, thu thập phơn tích vƠ hiển thị kết quả 39

3.4 B tích h p TVE-T01 chẩn đón k thuật đ ng cơ 41

Chương 4 TH C NGHIỆM VĨ ĐÁNH GIÁ K T QU 42

4.1 Ćc phương ́n th c nghịm chẩn đón k thuật đ ng cơ 42

4.2 Phương tịn th c nghịm vƠ đi u kịn th c nghịm 42

4 2.1 Đ ng c dùng trong thực nghi m 42

4.2.2 B chẩn đoán kỹ thuật đ ng c TVE-T01 43

4.2.3 Các thiết bị khác 43

4.2.4 Điều ki n thực nghi m chung 43

4.3 Th c nghịm vƠ kết qu 44

4.3.1 Kiểm tra mô hình thực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c 44

4.3.2 Trường hợp 1 (kết quả x lỦ sau 6 lần đo, xem phụ lục) 45

4.3.3 Trường hợp 2 (kết quả x lỦ sau 6 lần đo, xem phụ lục) 47

4.3.4 Trường hợp 3 (kết quả x lỦ sau 6 lần đo, xem phụ lục) 49

4.3.5 Trường hợp 4 (kết quả x lỦ sau 6 lần đo, xem phụ lục) 51

4.3.6 Tổng hợp kết quả so sánh thực nghi m 53

Chương 5 K T LU N 55

5.1 Kết luận 55

5.2 Hứng ph́t tri n 56

TÀI LI U THAM KH O 57

PH L C 58

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T

TVE-T01 : Test Viration Engine – B thu tín hi u rung đ ng của đ ng c

PSoC : Programmable System on Chip – H thống khả trình trên vi điều khiển

LabVIEW : Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench – Phần

mềm lập trình ngôn ngữ đồ họa

RS-232 : Recommended Standard-232 – Chuẩn giao tiếp nối tiếp giữa thiết bị

ngoại vi với máy tính

UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – Mạch tích hợp giao

tiếp giữa máy tính với các thiết bị ngoại vi

DC : Direct Current – Dòng đi n m t chiều

AC : Alternating current – Dòng đi n xoay chiều

AMP : Amplifier – B khuếch đại

IC : Integrated circuit – Vi mạch tích hợp

FFT : Fast Fourier transform – Phép biến đổi nhanh Fourier

HFRT : Hight Frequency Resonance Technique – C ng hưởng cao tần

ADC : Analog-to-Digital Converter chuyển đổi analog sang Digital

DAC : Digital to Analogue Converter b chuyển đổi tín hi u số sang

analogue

USB : Univeral Serial Bus lƠ 1 chuẩn kết nối các thiết bị đi n t

RPM : Revolutions Per Minute số vòng quay trong m t phút

CPS : Cycles Per Second vòng / giây

1SZ-FE : Gasonline direct injection Supercharged Economy type engine

Electronic fuel injection Đ ng c Toyota phun xăng trực tiếp

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Các d ạng đồ thị phư ng trình rung đ ng máy 6

Hình 2.2: Các d ạng rung đ ng 8

Hình 2.3: Bi ểu đồ rung đ ng miền thời gian vƠ đường cong rung đ ng riêng, đường cong rung đ ng tổng hợp miền thời gian 9

Hình 2.4: Tín hi u rung đ ng miền tần số 10

Hính 2.5: Ngu ồn gơy ra rung đ ng của đ ng c 11

Hình 2.6: M ối liên h giữa rung đ ng theo thời gian, rung đ ng theo tần số 19

Hình 2.7 : Đặc tính tần số với giới hạn ứng dụng của cảm biến 20

Hình 2.8 Đặc tính tần số của cảm biến đo đi n áp 21

Hình 2.9: C ảm biến MMA7361 21

Hình 2.10 : S đồ khối của cảm biến MMA7361 22

Hình 2.11 : S đồ nguyên lý của cảm biến MMA7361 23

Hình 3.1: Mô hình th ực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c 25

Hình 3.2: câu trúc mô hình th ực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c 26

Hình 3.3: Quy trình ch ế tạo 27

Hình 3.4: C ổng USB của máy tính 28

Hình 3.5 : S đồ nguyên lý của nguồn 5V s dụng LD1085V50 28

Hình 3.6 : S đồ nguyên lý của nguồn 3,3V s dụng ASM1117 29

Hình 3.7: C ấu trúc của m t vi điều khiển PSoC 30

Hình 3.8 : S đồ cấu trúc bên trong của CY8C3245PV1 31

Hình 3.9: Thi ết kế khối A/D trong PSoC 33

Hình 3.10: Thi ết kế khối UART trong PSoC 34

Hình 3.11: Thi ết kế khối lọc cho cảm biến gia tốc MMA7361 34

Hình 3.12 : S đồ khối UART cho board mạch chủ 35

Hình 3.13 : S đồ nguyên lý của vi điều khiển PsoC 35

: S đồ nguyên lý khối lọc nguồn 36

Hình 3.15 : S đồ nguyên lý khối kết nối cảm biến gia tốc 36

Hình 3.16 : S đồ nguyên lý khối reset và khối nạp chư ng trình SWD 36

Hình 3.17 : S đồ nguyên lý khối nguồn và khối dao đ ng 36

Hình 3.18 : Lưu đồ thuật toán chư ng trình điều khiển, x lý dữ li u 37

Hình 3.19: M t ph ần thuật toán chư ng trình điều khiển trong môi trường PSoC 38 Hình 3.20 : Lưu đồ thuật toán lập trình lưu trữ và xuất kết quả trong LabVIEW 39

Hình 3.21 : S đồ lập trình x lý tín hi u 39

Hình 3.22 : S đồ lập trình phân tích và xuất kết quả 40

Hình 3.23: K ết quả hiển thị 40

Hình 3.24: B tích h ợp TVE-T01 41

Hình 4.1: Giao di n hi ển thị kết quả thực nghi m trong môi trường LabVIEW 44

Hình 4.2: K ết quả đo tại máy số 1 đ ng c hoạt đ ng bình thường 45

Hình 4.3: M t ph ần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 46 Hình 4.4: K ết quả đo tại máy số 1 đ ng c hoạt đ ng với máy số 1 bị mất l a 47

Hình 4.5: M t ph ần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 47 Hình 4.6: K ế quả so sánh giữa trường hợp m t vƠ trường hợp hai 48

Hình 4.7: K ết quả đo tại máy số 1 đ ng c hoạt đ ng với bugi máy số 1 bị mòn 49

Hình 4.8: M t ph ần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 49 Hình 4.9: K ế quả so sánh giữa trường hợp m t vƠ trường hợp ba 50

Hình 4.10: K ết quả đo tại máy số 1 đ ng c hoạt đ ng với xéc măng máy số 1 bị mòn 51

Hình 4.11: M t ph ần biểu đồ phân tích phổ theo miền tần số đã được phóng to lên 51

Hình 4.12: K ết quả so sánh giữa trường hợp m t vƠ trường hợp bốn 52

DANH SÁCH CÁC B NG

B ng 4.1 : Các phư ng án thực nghi m 42

B ng 4.2: Thông s ố kỹ thuật đ ng c Toyota 1SZ-FE [15] 42

B ng 4.3: Danh sách các thi ết bị khác liên quan đến quá trình thực nghi m 43

Chương 1

T NG QUAN

1.1 Lý do chọn đ tƠi

HƠng năm, các công ty sản xuất ô tô phải b ra m t khoản chi phí khá lớn để

s a chữa bảo dưỡng đ ng c Khi sự cố xảy ra s gơy ra những tổn thất rất lớn cho sản xuất cũng như công tác quản lỦ bảo dưỡng s a chữa Xuất phát t những vấn đề nƠy, ngƠnh công nghi p ô tô đã có những giải pháp chẩn đoán tình trạng lƠm vi c của đ ng c với sự trợ giúp của các ngƠnh như công ngh đi n t , công ngh thông tin thì kỹ thuật giám sát vƠ chẩn đoán tình trạng lƠm vi c của đ ng c đã có những bước tiến nhảy vọt Các thuật toán như FFT [01] vƠ những phần mềm quản lỦ đã được ứng dụng vƠo khả năng phơn tích vƠ x lỦ tín hi u cho phép giám sát vƠ chẩn đoán chính xác tình trạng lƠm vi c của đ ng c H thống giám sát s chịu trách nhi m phơn tích các hi n tượng xuất hi n trong quá trình lƠm vi c của đ ng c như tiếng ồn, rung đ ng vƠ kiểm tra tình trạng lƠm vi c thực tế của đ ng c , phát hi n các trạng thái lƠm vi c bất thường của đ ng c , t đó có thể chẩn đoán được tình trạng lƠm vi c của đ ng c cũng như những hư h ng

Khi đ ng c lƠm vi c, ảnh hưởng của sự rung đ ng là rất nghiêm trọng Đ ng

c có thể bị thi t hại bởi sự rung đ ng Nếu sự rung đ ng xảy ra khi có sự công hưởng tần số thì nó có thể lƠm nứt hoặc gãy m t vƠi phần như lƠ đai ốc, bu lông bởi

do m i Rung đ ng mang tính dơy chuyền do đó t m t chi tiết rung đ ng bất thường s gây ra các hư h ng cho nhiều chi tiết trên đ ng c Sự rung đ ng nếu không được loại b , cách ly thì nó truyền qua bất kỳ h thống nƠo liên kết với đ ng

c như h thống đi n, h thống treo, h thống lái, h thống truyền đ ng, h p số, vi

sai, khung sườn ô tô, v.v Chính vì vậy “Nghiên c u vƠ phân tích ph tần số rung

c̉a đ ng cơ nh m đ́nh gí tình trạng lƠm vịc c̉a đ ng cơ” lƠ m t công vi c

hết sức quan trọng vƠ có Ủ nghĩa vô cùng to lớn trong công tác chẩn đoán, bảo dưỡng s a chữa vƠ phòng ng a hư h ng đ ng c

1.2 Tình hình nghiên c u trong vƠ ngoƠi nức

Hi n nay, trên thế giới có nhiều nhƠ khoa học, nhiều kỹ sư đã nghiên cứu về rung đ ng của đ ng c vƠ đã đạt được những kết quả thiết thực mang tính ứng dụng thực ti n cao

HoƠng Ngọc Thiên Vũ [02] đã nghiên cứu vƠ xơy dựng được phần mền chẩn

đoán hư h ng c bản trong truyền đ ng bánh răng, dựa trên phư ng pháp wavelet packet Thực nghi m thông qua thu vƠ x lỦ tín hi u rung đ ng t h thống c khí,

đã thu được những kết quả khả quan như: nhận rạng được những hư h ng truyền

đ ng bánh răng, thiết kế được chư ng trình phép biến đổi Fourier, phư ng pháp wavelet packet, tạo nền tảng cho vi c thu nhận tín hi u rung đ ng Mô hình thực nghi m được hư h ng c bản của truyền đ ng bánh răng như: mòn răng vƠ tróc r

bề mặt răng Tuy nhiên chưa xơy dựng được biểu đồ pha của tín hi u dao đ ng, chưa phát triển r ng để chẩn đoán hư h ng ở khớp nối, truyền đai, v.v

Nguy n Văn Nghĩa [03] đã nghiên cứu những vấn đề chẩn đoán kỹ thuật cho

đ ng c đi n kéo của đầu máy và ứng dụng mạng neron, đi sơu giải quyết bƠi toán chẩn đoán dựa trên khơu ước lượng thông số bằng mạng neron RBF vƠ đã xơy dựng được mô hình cấu trúc vƠ phơn tích mô hình grap đ ng c đi n kéo của đầu máy trong trạng thái hoạt đ ng, thông số chẩn đoán phù hợp cho bƠi toán phát hi n l i vƠ phơn bi t l i đ ng c đi n kéo của đầu máy theo khả năng thu thập dữ li u Đề tƠi

đã giải quyết được bƠi toán chẩn đoán kỹ thuật dựa trên khơu ước lượng thông số bằng mạng n ron RBF, lắp đặt vƠ thu thập số li u trên đầu máy D14Er số hi u 2014 của Xí nghi p Đầu Máy Yên Viên Tuy nhiên, đề tƠi chưa tìm ra được quy luật thay đổi của t ng thông số cũng như mối quan h giữa các thông số của đ ng c đi n kéo của đầu máy

Đặng Đình Được [04] đã nghiên cứu ứng dụng phần mềm LabVIEW trong thí nghi m đ ng c đốt trong để chuyển đổi các thông số đo trên băng th thủy lực FROUDE vƠ đ ng c lƠ lựa chọn phù hợp Đề tƠi đã xác định được các thông số trong h thống thí nghi m như tốc đ , momen, nhi t đ , lưu lượng khí nạp, rung

đ ng vƠ sự tồn tại của ô xi trong khí thải cho phép đánh giá được chất lượng hoạt

đ ng của đ ng c Tuy nhiên, đề tƠi chưa x lỦ, phơn tích tín hi u rung đ ng để

chẩn đoán tình trạng lƠm vi c của đ ng c Cần thực nghi m thêm những thông số như: lượng tiêu hao nhiên li u, áp suất trong xi lanh, v.v

Czech, P., !azarz, B., Madej, H., Wojnar [05] đã nghiên cứu vƠ xơy dựng phư ng pháp phát hi n những hư h ng trong h thống c khí của đ ng c thông qua chẩn đoán tín hi u rung đ ng của đ ng c Đề tƠi chủ yếu nghiên cứu về rung đ ng sinh ra do sự va đập giữa piston vƠ xi lanh, nguyên nhơn do khe hở giữa piston vƠ xi lanh quá lớn trong xi lanh Những tín hi u rung đ ng s được phơn tích qua b chuyển đổi loại ICP vƠ được điều khiển bởi m t chư ng trình trong môi trường LabVIEW T kết quả thực nghi m, thông qua sự rung đ ng có thể chẩn đoán được

sự cố xảy trên đ ng c Tuy nhiên v n chưa xác định chính xác do piston hay xi lanh nào bị sự cố

Agostoni [06] tác giả nghiên cứu rung đ ng do lực tác dụng lên các chi tiết của

đ ng c , chi tiết mất cơn bằng quán tính vƠ đã đưa ra được các giải pháp lƠm giảm rung đ ng M t chư ng trình kiểm soát rung đ ng với sự h trợ bằng máy tính để kiểm soát rung đ ng do mất cơn bằng quán tính Thực nghi m trên mô hình xe máy Thiết kế tối ưu hóa đ ng c xe máy, giảm thiểu lực truyền vƠo khung xe, giảm sự lan truyền rung đ ng tác dụng lên người điều khiển Thiết kế chế tạo lƠm giảm sự tác dụng của lực lên các chi tiết có kết cấu liên kết Đề tƠi chưa ứng dụng vƠo chẩn đoán những sự cố qua tín hi u rung đ ng, chưa đánh giá được ảnh hưởng của của rung đ ng đến tình trạng lƠm vi c của đ ng c

Lech Sitnik, Monika Magdziak –Tokáowicz, Radosáaw Wróbel [07] nhóm tác giả đã nghiên cứu vƠ so sánh được các phép đo sự rung đ ng trên các loại đ ng c khác nhau được gắn trên xe Thực nghi m đo rung đ ng trong trường hợp xe tĩnh vƠ trường hợp các bánh xe được kích lên để giảm ảnh hưởng của rung đ ng tới kết quả

đo Thực nghiêm trên hai loại đ ng c : 1.4BZ90CVCD vƠ đ ng c có trang bị b tăng áp 1.4BZ120CVDC trong cùng m t điều ki n như nhau A PSV-400 Laser Doppler vibrometer được s dụng để đo đ rung theo vận tốc Dữ li u thu được thông qua phép biến đổi FFT phơn tích phổ của tần số rung đ ng Vận tốc tối đa vƠ

rung đ ng rất lớn khi s dụng b tăng áp vƠ xe thực nghi m tĩnh Vận tốc vƠ rung

đ ng s giảm khi đ ng c s dụng b tăng áp vƠ các bánh xe được kích lên Sự phơn phối rung đ ng không thay đổi khi kích xe lên, nhưng biên đ rung đ ng thì thay đổi Đề tƠi chưa tìm được ảnh hưởng của rung đ ng tới tình trạng hoạt đ ng của đ ng c vƠ chưa phát hi n được các hư h ng

Burdzik, Dolecek [08] đã nghiên cứu và thực nghi m phơn tích sự truyền rung

đ ng trên xe Sự rung đ ng truyền t đ ng c tới người lái, hƠnh khách vƠ hƠng hóa Có hai loại rung đ ng c bản: rung đ ng do trạng thái hoạt đ ng, kết cấu của

đ ng c vƠ rung đ ng gơy ra bởi sự xáo tr n trong thời gian ngắn Tác giả đã s dụng thiết bị đo gia tốc trên ba hướng chủ yếu đo rung đ ng của xe phát ra, tín hi u được s lỦ trong môi trường Matlab vƠ biến đổi FFT trong thời gian ngắn để phơn tích phổ tần số rung Thực nghi m đo rung đ ng ở các tốc đ 750, 1500, 2000, và

3000 (vòng/phút) T những kết quả đo trên đã đưa ra được các hướng phát triển như sau: Thiết kế vƠ lắp ráp kết cấu của xe nhằm giảm sự rung đ ng vƠ truyền rung

đ ng cho người lái vƠ hƠnh khách Ễp dụng công ngh mới vƠ công ngh chế tạo vật li u cũng giúp giảm đáng kể sự rung đ ng Tuy nhiên không thể loại tr tác

đ ng xấu trong sản xuất, chế tạo có thể lƠm thay đổi tính chất của vật li u, nó có thể ảnh hưởng xấu tới rung đ ng của xe Nghiên cứu sự truyền rung đ ng cũng chưa xác định được những sự cố vƠ chẩn đoán hư h ng của đ ng c

1.3 Ṃc đích c̉a đ tƠi

Nghiên cứu vƠ phơn tích phổ tần số rung đ ng c nhằm đánh giá tình trạng làm

vi c của đ ng c , góp phần nơng cao hi u quả trong công tác chẩn đoán kỹ thuật, bảo dưỡng s a chữa đ ng c

1.4 Nhi ̣m ṿ vƠ gíi hạn đ tƠi

1.4.1 Nhịm ṿ đ tƠi

Tìm hiểu tổng quan về những hi n tượng, nguyên nhân hư h ng của các chi tiết

c khí trên đ ng c

Thu thập các số li u rung đ ng của đ ng c

Nghiên cứu b x lỦ tín hi u rung, lập trình điều khiển bằng phẩn mềm PSoC Desiger và LabVIEW

Nghiên cứu thuật toán FFT vƠ ứng dụng phơn tích phổ của tín hi u

Thiết kế, thi công mô hình thực nghi m phơn tích phổ tần số rung đ ng, lƠm c

sở nhận dạng được các hư h ng c khí c bản hoặc dự báo các hư h ng

Thực nghi m vƠ đánh giá kết quả nghiên cứu

1.4.2 Gíi hạn đ tƠi

Do điều ki n kinh tế vƠ trình đ có hạn mƠ đề tƠi giới hạn trong phạm vi:

Nghiên cứu phổ tần số rung của đ ng c ảnh hưởng bởi m t số chi tiết c khí

c bản trên đ ng c Toyota 1SZ-FE được gá lắp trên mô hình

Nghiên cứu vƠ phơn tích phổ tần số rung của đ ng c hoạt đ ng ở tốc đ cầm

Chương 2

C S LÝ THUY T

2.1 Lý thuyết rung đ ng máy

2.1.1 Đ nh nghƿa rung đ ng

Sự rung đ ng được định nghĩa m t cách khoa học lƠ sự dao đ ng của vật thể về

vị trí Trong quá trình rung đ ng, vật thể đi qua những vị trí khác nhau vƠ trở về lại điểm mƠ ở đó nó sẵn sƠng để lặp lại sự dao đ ng vƠ có tính chu kỳ T M t đồ thị hay biên dạng rung đ ng được thể hi n trong hình 2.1a cho thấy chu kỳ T vƠ khoảng dịch chuyển cực đại hay biên đ X0 Ngh ịch đảo của chu kỳ nƠy, được gọi

lƠ tần số f của rung đ ng được biểu di n trong đ n vị của chu kỳ trong m t giơy (cps) hay héc (Hertz (Hz)) [09]

Hình 2.1: Các dạng đồ thị phư ng trình rung đ ng máy

M t hƠm điều hòa lƠ hƠm đ n giản của chuyển đ ng định kỳ vƠ được thể hi n trong hình 2.1b lƠ hƠm điều hòa cho các dao đ ng nh của con lắc đ n giản vƠ được biểu di n bằng phư ng trình sau:

X = X0 sin( ωt) Trong đó:

X là lượng dịch chuyển của dao đ ng (phần nghìn của m t inch, hay mm)

X0 là lượng dịch chuyển cực đại hay biên đ (mm)

m t rung đ ng, cho thấy:

Chuyển vị cƠng cao thì tần số cƠng thấp, vì vậy cần đo chuyển vị khi tần số rung đ ng thấp - Vận tốc có giá trị không đổi khi tần số thay đổi vƠ thể hi n rõ nhất

ở khoảng tần số trung bình Vì vậy, đo vận tốc rung đ ng thường được áp dụng trong giám sát rung đ ng liên tục

Gia tốc cƠng cao khi tần số rung đ ng cƠng cao Vì vậy, đo gia tốc thường áp dụng trong giám sát rung đ ng có tần số rung đ ng lớn Nếu đo được gia tốc của rung đ ng thì có thể suy ra vận tốc vƠ chuyển vị bằng phép tích phơn Tuy nhiên để

có gia tốc bằng cách lấy vi phơn t vận tốc thì tín hi u rất d bị nhi u do tính chất của mạch đi n t vi phơn không chống nhi u tốt như mạch tích phơn

Rung đ ng ng u nhiên, thường xảy ra m t cách tự nhiên vƠ được đặc trưng bằng quá trình chuyển đ ng bất thường không bao giờ lặp lại m t cách chính xác Rung đ ng tức thời, lƠ rung đ ng không liên tục (tắt dần) Rung đ ng nƠy có thể lƠ xung va đập Xung va đập lƠ m t rung đ ng có tần số rất cao vƠ lƠ rung đông tắt dần Đo xung va đập lƠ m t trong những phư ng pháp phơn tích rung đ ng rất phổ biến hi n nay

Rung đ ng bất quy tắc, lƠ loại rung đ ng mƠ dạng sóng ch có thể xác định bởi các ch số thống kê như giá trị trung bình µ vƠ h số phơn bố σ, tại m t thời điểm t nƠo đó

N i dung của đề tƠi nƠy không mô tả chi tiết bản chất của rung đ ng N i dung chủ yếu phục vụ chẩn đoán, do đó cần phải nhận biết các loại rung đ ng tư ng ứng phụ vụ cho quá trình chuẩn đoán kỹ thuật đ ng c

Hình 2.2 : Các dạng rung đ ng

2.1.3 Mi n th i gian

Dữ li u rung đ ng được v theo biên đ so với thời gian được gọi lƠ dữ li u miền thời gian M t số ví dụ đ n giản vƠ phức tạp được thể hi n trong hình 2.3 Các biểu đồ miền thời gian phải được s dụng cho tất cả các đ ng c vƠ máy móc chuyển đ ng thẳng vƠ chuyển đ ng qua lại Chúng có ích trong phơn tích tổng thể của chu i máy để nghiên cứu những thay đổi trong điều ki n hoạt đ ng Tuy nhiên,

dữ li u miền thời gian gặp khó khăn khi s dụng Bởi vì tất cả các dữ li u rung đ ng được thêm vƠo để thể hi n dịch chuyển tổng tại bất kỳ thời điểm nhất định, rất khó

để xác định riêng của bất kỳ nguồn rung đ ng xác định

có chu kỳ sóng r ng hợpRung đ ng

không có chu kỳ

Rung đ ng

giả chu kỳ

Rung đ ng chu kỳ tắt dần

Rung đ ng bất quy tắc

Rung đ ng bất quy tắc liên tục

Rung đ ng bất quy tắc chuyển tiếp

Rung đ ng bất quy tắc giải tần hẹp

Rung đ ng bất quy tắc giải tần r ng

Rung đ ng bất quy tắc đặc bi t

Hình 2.3: B iểu đồ rung đ ng miền thời gian và đường cong rung đ ng riêng, đường

cong rung đ ng tổng hợp miền thời gian NhƠ vật lỦ vƠ nhƠ toán học Pháp Jean Fourier đã xác định rằng các hƠm dữ li u không phải điều hòa như dữ li u rung đ ng miền thời gian, nó lƠ những tổng hợp toán học của các hƠm dao đ ng điều hòa đ n Các đường cong nét đứt trong hình 2.3 thể hi n cho thƠnh phần riêng điều hòa, đường cong tổng không phải dao đ ng điều hòa được biểu di n bởi đường nét liền Những loại dữ li u thường xuyên được lấy trong thời gian sống của m t máy, so sánh trực tiếp với dữ li u lịch s ở cùng

m t tốc đ chạy vƠ tải Tuy nhiên, điều nƠy lƠ không thực tế vì sự khác bi t trong hoạt đ ng nhƠ máy thay đổi t ng ngƠy vƠ cả sự thay đổi trong tốc đ chạy Điều nƠy ảnh hưởng đáng kể đến dữ li u vƠ lƠm cho không thể thể so sánh với dữ li u lịch s

2.1.4 Mi n tần số

T m t quan điểm thực tế, các hƠm số rung đ ng điều hòa đ n giản có liên quan đến tần số quay của các thƠnh phần quay hoặc di chuyển Do đó, các tần số nƠy lƠ b i số của tốc đ quay c bản của chu i máy, mƠ được thể hi n bằng số vòng

m i phút (rpm) hoặc chu kỳ m i phút (cpm) Xác định các tần số nƠy lƠ bước c bản đầu tiên trong phơn tích các điều ki n hoạt đ ng của máy

Dữ li u miền tần số thu được bằng cách chuyển đổi dữ li u miền thời gian bằng cách s dụng m t kỹ thuật toán học gọi lƠ biến đổi Fast Fourier transform (FFT) FFT cho phép m i thƠnh phần rung đ ng của m t phổ tần số phức tạp của máy

Rung đ ng riêng

Rung đ ng tổng hợp

được hiển thị như lƠ m t đ nh tần số rời rạc Biên đ miền tần số có thể được di chuyển trên m t đ n vị thời gian so với m t tần số cụ thể, được v như trục Y so với tần số lƠ trục X Điều nƠy lƠ trái ngược với phổ miền thời gian, tổng các vận tốc của tất cả các tần số vƠ v tổng theo trục Y so với thời gian lƠ trục X M t ví dụ của

m t biểu đồ miền tần số hay tín hi u rung đ ng được hiển thị trong hình 2.4

Hình 2.4: T ín hi u rung đ ng miền tần số

Dữ li u miền tần số được yêu cầu cho thiết bị hoạt đ ng ở tốc đ chạy nhiều

h n m t vƠ tất cả các ứng dụng quay Bởi vì các trục X của phổ tần số bình thường hóa tốc đ quay, m t sự thay đổi trong tốc đ chạy s không ảnh hưởng đến biểu

đồ M t thƠnh phần rung đ ng đó lƠ hi n di n ở tốc đ v n s được tìm thấy trong cùng m t vị trí trên biểu đồ cho m t tốc đ quay sau khi bình thường hóa, mặc dù biên đ có thể khác nhau

2.2 R ung đ ng c̉a đ ng cơ

Trong đ ng c , vì nhiên li u được đốt trong buồng cháy vƠ nhiều b phận chuyển đ ng, tạo ra nhiều loại lực rung Chúng lƠm cho đ ng c bị rung, lƠm cho thơn đ ng c trở nên rung đ ng Mặc dù rung đ ng của đ ng c do nhiều nguyên nhơn khác nhau gơy ra, nhưng chủ yếu lƠ: áp suất cháy của nhiên li u trong buồng đốt nó ảnh hưởng t bugi đánh l a, mòn xec măng, không cơn bằng do quán tính và những h thống khác như đ cứng vững của b máy hay giá đỡ, v.v

Hính 2.5: Nguồn gơy ra rung đ ng của đ ng c Chúng ta s tìm hiểu m t số nguyên nhơn quan trọng gơy ra rung đ ng để biết được vì sao mƠ rung đ ng lại sinh ra T đó tìm cách phát hi n chúng vƠ đưa ra những giải pháp để chẩn đoán t những tín hi u rung đ ng nƠy

2.2.1 Hư h ng bugi

M t trong nhiều nguyên nhơn lƠm rung đ ng đ ng c lƠ hư h ng ở bugi đánh

l a Mòn, bẩn hoặc hư h ng bugi lƠ nguyên nhơn chính gơy ra mất l a hoặc đánh

l a kém ở m t hoặc tất cả các xi lanh Khi điều nƠy xảy ra nó lƠm cho quá trình cháy di n ra không hoƠn toƠn hoặc không xảy ra quá trình cháy ở m t số xi lanh,

c hính sự chênh l ch áp suất cháy trong các xi lanh lƠ nguyên nhơn gơy ra rung đ ng mạnh của đ ng c

2.2.2 Xéc mĕng b mòn

Xéc măng lƠm vi c trong điều ki n phức tạp, chịu nhi t đ cao, bôi tr n khó khăn

do đó nó lƠ chi tiết nhanh mòn nhất trong đ ng c , hư h ng chủ yếu lƠ do ma sát với thành xi lanh, mòn mặt cạnh do va đập giữa xéc măng vƠ rãnh gơy xục dầu, lọt h i công suất của đ ng c giảm Trong m t b thì xéc măng trên cùng bị mòn nhiều

nhất, lƠm khe hở xéc măng tăng lƠm giảm đ kín khít gơy va đập xéc măng và rãnh gơy xục dầu, lọt h i lƠm chênh l ch áp suất giữa các máy d n tới rung đ ng

2.2.3 K hông cân b ng do qún tính

Lực quán tính do chuyển đ ng tịnh tiến của piston vƠ chuyển đ ng quay của trục khuỷu gơy ra Các lực rung bởi lực quán tính do c cấu đối trọng trục khuỷu tạo

ra vƠ sự không cơn bằng trong vật thể quay m t đ ng c có 4 xi lanh thẳng hƠng, các piston số 1 vƠ số 4 ở điểm chết trên thì các piston ở các xi lanh số 1 vƠ 3 ở điểm chết dưới Đó lƠ hai b piston được đặt l ch pha nhau 1800 Vì vậy lực quán tính hướng lên trên lớn h n lực quán tính hướng xuống, s tạo ra m t loại rung đ ng tăng cao, hai lần trong m t vòng quay trục khuỷu, lực quán tính nƠy lƠm cho rung

đ ng xuất hi n Lực do sự không cơn bằng tạo ra tăng theo tỷ l bình phư ng của

số vòng quay, nên rung đ ng được khuếch đại mạnh khi tăng số vòng quay

2.2 4 Phương ph́p tính tần số rung c̉a đ ng cơ

Tần số rung đ ng của đ ng c = Tốc đ đ ng c vòng / phút chia cho 60 giơy (Hz) rpm ÷ 60 = Engine H z [10]

 Hz

rpm F

60



(2.1) Trong đó

F lƠ tần số (Hz), rpm tốc đ đ ng c vòng/phút, thời gian 60 giơy

Tần số rung đ ng sinh ra do quá trình chƠy của đ ng c 4 kỳ bằng tần số rung

đ ng của đ ng c nhơn với m t n a số xi lanh của đ ng c

Engine Hz x Half the number of cylinders =Engine firing Hz

2.2.5 Hậu qu c̉a rung đ ng

Rung đ ng thường gơy ra những hậu quả rất nghiêm trọng Đối với con người, nếu bị chấn đ ng như vậy trong m t thời gian dƠi s có thể bị mờ mắt, mất cơn bằng, ù tai vƠ lƠm vi c kém hi u quả VƠ s rất nghiêm trọng nếu điều nƠy xảy ra đối với người vận hƠnh máy, tƠi xế, phi công Trong trường hợp của máy móc, nếu

nứt, gãy hoặc vỡ ra thƠnh t ng mảnh Nếu trường hợp nƠy xảy ra với m t máy bay thì chắc chắn s gơy ra m t đại họa thảm khốc Rung đ ng thường gơy ra tiếng ồn,

vƠ đơy cũng lƠ m t vấn đề nghiêm trọng đối với sức kh e nếu người nƠo tiếp xúc với nó trong m t khoảng thời gian dƠi

Vì vậy đo lường vƠ kiểm soát rung đ ng lƠ m t công vi c hết sức quan trọng vƠ cần thiết cho tất cả các loại máy móc thiết bị

2.3 Phương ph́p xử lý vƠ ng ḍng phân tích ph c̉a tín hịu rung

2.3.1 Lý thuyêt tín hịu vƠ xử lý tín hịu

Tín hi u lƠ m t đại lượng vật lỦ chứa thông tin, về mặt toán học tín hi u được biểu di n bằng m t hƠm của m t hay nhiều biến đ c lập Chẳng hạn, tín hi u tiếng nói được biểu thị bằng m t hƠm số của thời gian còn tín hi u hình ảnh thì lại được biểu di n như m t hƠm số đ sáng của hai biến số không gian M i loại tín hi u khác nhau có các tham số đặc trưng riêng, tuy nhiên tất cả các loại tín hi u đều có các tham số c bản lƠ đ lớn (giá trị), năng lượng vƠ công suất, chính những thông

số đó nói lên bản chất vật chất của tín hi u tín hi u được biểu di n dưới dạng hƠm của biến thời gian x(t), hoặc hƠm của biến số X(f) hay X(ω)

C ó nhiều loại tín hi u khác nhau, ví dụ như tín hi u ơm thanh, ánh sang, sóng

ơm, sóng đi n t , tín hi u đi n v.v M i lĩnh vực kỹ thuật thường s dụng m t số loại tín hi u nhất định Trong các lĩnh vực có ứng dựng kỹ thuật đi n t , người ta thường s dụng tín hi u đi n vƠ sóng đi n t , với đại lượng mang tin tức có thể lƠ

đi n áp, dòng đi n, tần số hoặc góc pha

X lý tín hi u là th ực hi n các đ ng tác lên tín hi u như khuyếch đại, suy giảm,

ch ọn lọc, biến đổi, khôi phục giá trị và dạng của tín hi u H x lý tín hi u là các mạch đi n, các thiết bị, các h thống dùng để x lý tín hi u, h x lý tín hi u được

th ực hi n các tác đ ng lên tín hi u theo m t quy luật nhất định

M t h x Ủ tín hi u cho dù lƠ đ n giản hay phức tạp đều có những đặc thù riêng phụ thu c vƠo loại tín hi u mƠ nó x lỦ Các loại tín hi u khác nhau cần có các h

x lỦ khác nhau, vi c phơn tích vƠ tổng hợp các h x lỦ tín hi u luôn gắn liền với

vi c nghiên cứu vƠ phơn tích loại tín hi u mƠ nó x lỦ

Các h x lỦ tín hi u được phơn loại theo nhiều cách khác nhau, thường dùng các phơn loại theo tín hi u mƠ nó x lỦ gồm h tư ng tự, h xung, h số Các h số thực hi n x lỦ tín hi u số bằng phần mềm cần có máy tính hoặc h thống vi x lỦ

Về thực chất, vi c x lỦ tín hi u số bằng phần mềm lƠ x lỦ các dãy số li u, tức lƠ

x lỦ số nên có thể coi các chư ng trình lƠ các h x lỦ số li u

2.3 2 Phương ph́p phân tích tín hịu rung đ ng

Tất cả các thiết bị đ ng đều tạo ra rung đ ng hay tín hi u mƠ phản ánh tình trạng lƠm vi c của nó Điều nƠy có liên quan tới tốc đ , kiểu lƠm vi c chuyển đ ng quay, chuyển đ ng tịnh tiến hay tuyến tính Phơn tích rung đ ng có khả năng áp dụng cho tất cả các thiết bị c khí, thường lƠ các thiết bị có tốc đ quay trên 600 vòng\phút

M t số phư ng pháp phơn tích rung đ ng thường dùng nhất lƠ:

- Phư ng pháp phơn tích hình bao

- Phư ng pháp Kurotsis

- Phư ng pháp FFT

2.3.2.1 Phương ph́p phân tích hình bao

Vi c phơn tích theo tần số các tín hi u rung đ ng thường được thực hi n ở cùng tần số thấp < 1 kHz Trong dải tần nƠy, biểu hi n tất cả các khuyết tật đ ng hay truyền thống, sự mất cơn bằng, sự không đồng tơm, khuyết tật ổ lăn, khuyết tật ăn khớp trong truyền đ ng bánh răng, các kích thích do các mô men đi n gơy ra bởi vậy vi c nhận dạng khuyết tật ở giai đoạn đầu t ra rất phức tạp khó khăn đòi h i s dụng c ng hưởng cao tần Hight Frequency Resonance Technique (HFRT)

Bình thường các hư h ng do các lực va đập gơy nên các rung đ ng đặc trưng bởi các xung có biên đ lớn trong khoảng thời gian rất ngắn Ngược lại với các hư

h ng dạng “hình sin” gơy ra các rung đ ng mƠ biên đ thay đổi rất chậm trong m t khoảng thời gian dƠi Các va đập kích thích các dạng c ng hưởng tần số cao các phần t khác nhau của kết cấu máy tạo ra các xung tần số cao mƠ biên đ của chúng được điều biến bởi tần số xuất hi n các hư h ng đang xét

Các đáp ứng ở dạng c ng hưởng nƠy thể hi n trên phổ bởi sự tồn tại các “bướu” nằm ở vùng tần số cao, cách xa các tần số quay của máy Vi c giải điều biến theo

biên đ của các đáp ứng với dạng c ng hưởng nƠy cho phép tìm lại tần số của các lực kích thích nƠy thường không thể phát hi n được trong phổ của tín hi u thô mƠ bằng kỹ thuật khác gọi là phát hi n hình bao

Kỹ thuật phát hi n hình bao thực hi n thao tác dải điều biến tín hi u bằng cách

kh b thƠnh phần tần số cao, sao cho ch giữ lại đường cong điều biến hay bao hình lƠ đặc trưng của khuyết tật Công vi c phát hi n hình bao được thực hi n nhờ phép biến đổi Hilbert

2.3.2.2 Phương ph́p phân tích Kurtosis

Phư ng pháp phơn tích Kurtosis lƠ phư ng pháp chuẩn đoán xác xuất, s dụng đối với gia tốc của tín hi u rung đ ng Trong phư ng pháp nƠy người ta tiến hƠnh tính toán

h số Kurtosis đối với gia tốc của rung đ ng trên các giải tần số khác nhau Căn cứ vƠo

vi c so sánh giá trị Kurtosis tính toán được với giá trị ngưỡng được xác định t nghiên cứu lỦ thuyết vƠ thực nghi m, đôi khi kết hợp với m t số thông số khác, người ta s đưa ra m t chẩn đoán cho tình trạng hoạt đ ng của thiết bị

H số Kurtosis lƠ m t thông số mô tả hình dạng của phơn bố xác suất của m t biến

ng u nhiên H số Kurtosis đặc trưng cho đ có đ nh hay đ phẳng tư ng đối của m t phơn bố so với phơn bố chuẩn H số Kurtosis được định nghĩa lƠ moment thống kê bậc

bố của m t phơn bố vƠ được xác định bằng biểu thức sau:

x: Biên đ của tín hi u

x : Giá trị trung bình của x

P(x): HƠm mật đ xác xuất của x

σ : Đ l ch tiêu chuẩn

Giá trị Kurtosis cho phơn bố chuẩn (phơn bố Gauss) của m t tín hi u lƠ bằng 3 trong dải tần r ng (t 2,5 đến 80kHz) với sai số lƠ 8% Thực nghi m cho thấy sự gia tăng của ch số nƠy lƠ dấu hi u cho sự bắt đầu (với K t 4 đến 6) vƠ sự tồn tại (với K

>6) của m t hư h ng c khí Với các giá trị cao h n của h số (K t 9 đến 10) máy cần

phải được d ng lại vƠ chi tiết hư h ng cần được thay thế Phư ng pháp Kurtosis thường được s dụng trong theo dõi hoạt đ ng của ổ lăn dựa trên vi c nghiên cứu sự phơn bố biên đ của gia tốc đo được trên ổ Vi c s dụng phư ng pháp Kurtosis trong chẩn đoán hư h ng ổ lăn đã được áp dụng trong m t thời gian dƠi vƠ được chứng minh

lƠ mang lại kết quả tốt

2.3.2.3 Phép biến đ i Fourier FFT

Xét m t tín hi u liên tục không tuần hoƠn x(t), ta có thể coi x(t) như m t tín hi u tuần hoƠn có chu kỳ T hay ( 00) , khi đó x(t) có thể được biểu di n bởi chu i x(t) như sau: [11]

k

ke t

T

T

T k

0 0

2 / 2 / 0

lim

0

(2.5) đơy, C()lƠ m t hƠm theo tần số liên tục vƠ được xác định như sau:

/

/

0

02 lim Đặt

o

C X

(2.7)

Cách biểu di n khác của biến đổi Fourier của tín hi u x(t), với biến tần số f thay cho tần số góc  :

Hàm X()được gọi lƠ phổ (Fourier) của tín hi u x(t) theo tần số

HƠm biểu di n phổ biên đ của tín hi u x(t) theo tần số:

  t  X      Lm X    

X  Re 2 2 (2.10) Phổ pha của tín hi u x(t) theo tần số lƠ:

              

  arctan Lm X / Re X (2.11) Điều ki n để các biến đổi Fourier thuận vƠ nghịch của tín hi u x(t) tồn tại x(t) phải

lƠ tín hi u năng lượng, nghĩa lƠ:

Biến đổi Fourier rời rạc (DTF): Xét dãy không tuần hoƠn x(n)L có đ dƠi hữu hạn L m t cách gần đúng, có thể coi dãy x(n)L là m t chu kỳ của dãy tuần hoƠn

xP(n) vời chu kỳ bằng N Để không xảy ra hi n tượng trùm thời gian vƠ dãy x(n)L

không bị biến dạng thì dãy tuần hoƠn xP(n) phải có chu kỳ th a mãn điều ki n N≥L

h n nữa, nếu N>L thì dãy tuần hoƠn xP(n) phải có các m u với giá trị bằng 0 trong đoạn L≤ n ≤(N-1)

T đó có thể trực tiếp suy ra cặp biến đổi Fourier rời rạc của dãy không tuần hoƠn có đ dƠi hữu hạn x(n)Lvới N≥L

Biến đổi thuận:

  jk n N

k L

N x e

1 0

  jk n N

2.3.2.4 ng ḍng biến đ i Fourier đ phân tích tín hịu rung đ ng

Những khuyết tật tồn tại trong đ ng c như: Sự mất cơn bằng do quán tính, sự không đồng trục, hi n tượng mòn các chi tiết, biến dạng của trục, khe hở quá mức hay tháo l ng mối ghép ren, hư h ng bugi đều gơy ra các rung đ ng với tần số khác nhau Nhờ vi c nghiên cứu đ ng học máy ta xác định được chu kỳ hay tần số của các dao đ ng ứng với các tần số riêng của các thƠnh phần nói trên T đó bằng công

cụ toán học phơn tích Fast Fourier Transform (FFT) ta phơn tích phổ thu nhận được

vƠ đưa ra nhận dạng hư h ng

Phư ng pháp nƠy thực hi n được bằng cách thu nhận tín hi u t cảm biến sau

đó s dụng b lọc để loại b các thƠnh phần tần số quá cao hay qua thấp để có thể quan sát được cá tín hi u rung đ ng trên dao đ ng kỦ, thấy được biên đ giao đ ng

vƠ sự thay đổi của chúng theo thời gian T đó chuyển các tín hi u theo thời gian thƠnh tín hi u tần số bắng phép biến đổi Fast Fourier Transform (FFT) rồi đưa ra nhận dạng hư hòng bằng công vi c nghiên cứu sự tư ng quan giữa các thƠnh phần tần số có biên đ lớn vƠ tần số đ ng học của c cấu máy được theo dõi ng với

m t tần số hư h ng nƠo đó có thể dự đoán được

Phép biến đổi Furrier tạo ra mối liên h giữa không gian thời gian vƠ không gian tần số

Hình 2.6: Mối liên h giữa rung đ ng theo thời gian, rung đ ng theo tần số Đơy lƠ phép biến đổi tuyến tính hai chiều nên không có hi n tượng bị mất thông tin Vi c quan sát các dạng sóng rung đ ng lƠ bước đầu tiên của vi c chẩn đoán tình trạng máy

Dãy của N số phức x0, …, xN#1 được biến đổi thƠnh chu i của N số phức X0, ,

XN#1bởi công thức sau đơy: t (2.12)



j n

- Số điểm phơn tích luôn lƠ số 2n: m = 2n

- Miền tần số được quy chuẩn trong dải 0-1

- Phổ tín hi u thực luôn có dạng miền (dải phổ), không phải phổ vạch

Do vậy, c a số lấy m u luôn chọn lƠ 2n

Các cảm biến đo gia tốc vƠ vận tốc đặt tiếp xúc với bề mặt vật đo còn cảm biến

đo chuyển vị thường đặt không tiếp xúc với bề mặt vật đo

Đề tƠi ch đề cập tới các cảm biến đo theo nguyên lỦ áp đi n bởi các cảm biến loại nƠy có thể đo các gia tốc dao đ ng 0,1 Hz đến 40 kHz, có kích thước nh gọn,

đ chính xác cao, khả năng đo r ng v.v tư ng thích với các b khuếch đại

Nếu m t lực c khí tác đ ng lên tinh thể đá muối Rochelle v.v Dòng đi n s được tạo ra cả hai phía của vật th M t cảm biến s dụng hi n tượng áp đi n nƠy gọi lƠ đầu đo theo nguyên lỦ áp đi n vƠ được dùng chuyên đo gia tốc

Lò xo K (với đ cứng k) được nối với vật nặng (khối lượng m) nối với phần t

áp đi n P Nếu di chuyển dọc d xuất hi n trong h thống, m t lực t l thuận với d” (gia tốc di chuyển) s tác đ ng lên phần t áp đi n P Do đó dòng đi n t l thuận với gia tốc xuất hi n ở đầu ra v.v [12]

Hình 2.7: Đặc tính tần số với giới hạn ứng dụng của cảm biến

Nếu tần số ch thay đổi với dao đ ng tới đầu đo, đầu đo s thấp ở dải tần ≤ 0,1Hz vƠ thường ch ổn định ở dải 0,1 Hz - 10kHz Tại dải tần ≥ 10kHz giá trị gia

tăng đ c lập thậm chí ngay cả khi dao đ ng không thay đổi vƠ đạt cực đại tại tần số riêng fe = 80 kHz

Hình 2.8 Đặc tính tần số của cảm biến đo đi n áp Dải tần số có thể s dụng trong chẩn đoán tình trạng các máy thông thường lƠ phần ổn định Nhưng cũng cần chú Ủ rằng các đặc tính nƠy phụ thu c rất nhiều vƠo cách lắp đặt các cảm biến vƠo các máy được chẩn đoán

L ựa chọn cảm biến: Trong luận văn này tác giả s dụng cảm biến đo gia tốc MMA7361 kiểu tụ chế tạo theo công ngh vi c đi n t MEMS Cảm biến gia tốc MMA7361, có đ nhạy cao có thể chọn lựa (±1,5; 2; 4 và 6g) (g=9.8m/s2) , đơy lƠ cảm biến có 3 gia tốc được xơy dựng trên cùng m t IC

Hình 2.9: C ảm biến MMA7361

Hình 2.10: S đồ khối của cảm biến MMA7361 Bao gồm:

Chơn Xout, Yout, Zout lƠ các chơn giá trị đầu ra của cảm biến của 3 trục x, y,

z, vƠ đơy lƠ tín hi u analog

Vss: lƠ chơn được nối đất, hay nguồn ơm của nguồn

VDD: đi n áp cung cấp cho cảm biến hoạt đ ng

0g- Detect: Cảm biến MMA7361 cung cấp tính năng 9g-Detect s đưa ra mức logic cao khi cả 3 trục x,y,z đang ở 0g

Self Test: Tính năng self test-tự kiểm tra cho phép xác minh sự toƠn vẹn về cấu trúc vƠ mạch đi n của cảm biến

G-Select: chức năng nƠy cho phép lựa chọn giữa 2 dải đo, tùy vƠo đ nhạy cần thiết Tùy thu c vƠo mức logic tại chơn 10, khi đó cảm biến s hoạt đ ng ở chức

n ăng tư ng ứng với dải đo ± 1,5g hoặc ± 6g

Sleep Mode: Cảm biến cung cấp chế đ ngủ, đơy lƠ chức năng rất lỦ tưởng cho chế đ tiết ki m năng lượng cho các thiết bị s dụng pin

Nguyên lý: Khối G-Cell trong cảm biến có cấu trúc 2 tụ back-to-back

Hình 2.11: S đồ nguyên lý của cảm biến MMA7361 Quy tắc chung khi gắn cảm biến gia tốc:

Tín hi u rung đ ng được thu nhờ cảm biến gia tốc, cảm biến đo ở những vị trí

đã được xác định trước Vi c gắn cảm biến gia tốc phải đảm bảo sự chính xác của

số đo vƠ an toƠn Các chú Ủ khi gắn cảm biến gia tốc

- Gắn càng gần vùng đo càng tốt

- Gắn đầu đo gia tốc phải đảm bảo chắc chắn

- Đảm bảo gắn đúng chiều

- Ch gắn cùng m t đầu đo gia tốc cho cùng m t vị trí

- Vị trí gắn của máy được đo phải đảm bảo đ vững chắc

- Thao tác s dụng cẩn thận tránh lƠm hư h ng đầu đo vƠ dơy cáp kết nối

- Người đo phải đảm bảo an toƠn khi đo

2.4 Ph ần m m LabVIEW

LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) [13] lƠ m t môi trường phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ hoạ, thường được s dụng cho mục đích:

đo lường, kiểm tra, đánh giá, x lỦ vƠ điều khiển các tham số của thiết bị

LabVIEW lƠ m t ngôn ngữ lập trình đa năng, giống như các ngôn ngữ lập trình

hi n đại khác LabVIEW gồm có các thư viên thu nhận dữ li u, m t loạt các thiết bị điều khiển, phơn tích dữ li u, biểu di n vƠ lưu trữ dữ li u Nó còn có các công cụ phát triển được thiết kế riêng cho vi c nối ghép vƠ điều khiển thiết bị

LabVIEW khác với các ngôn ngữ lập trình thông thường ở điểm c bản lƠ: các ngôn ngữ lập trình khác thường dùng trên c chế dòng l nh, trong khi đó LabVIEW dùng n gôn ngữ lập trình Graphical để trạo ra các chư ng trình ở dạng s đồ khối

Lập trình LabVIEW trên c sở các thiết bị ảo Các đối tượng trong các thiết bị

ảo được s dụng để mô ph ng các thiết bị thực, nhưng chúng được thêm vƠo bởi phần mềm Các ứng dụng tư ng tự như các hƠm trong các ngôn ngữ lập trình khác

2.5 Phần m n PSoC Designer

PSoC Designer lƠ phần mềm do hãng CYPRESS cung cấp mi n phí để lập trình cho PSoC [14] Nhìn chung PSoC Designer được chia lƠ 2 phần:

- Device Editor : để xơy dựng kiến trúc phần cứng cho PSoC

- Application Editor: viết các chư ng trình ứng dụng

NgoƠi ra còn ra còn có phần debugger để dịch ra file Hex, vƠ PSoC Programmer

là chư ng trình nạp vƠo chip PSoC

Xơy dựng kiến trúc phần cứng( Device Editor): Các mức datasheet của PSoC có

3 mức datasheet: Device datasheet, Datasheet t ng module vƠ datasheet do người s dụng xơy dựng

2.6 Phần m n Ocard

Orcad lƠ phần mềm thiết kế mạch đi n bao gồm nhiều phần mềm trợ giúp cho chúng ta trong quá trình thiết kế mạch đi n Orcad Capture để v s đồ nguyên lỦ Layout để v mạch in, Pspice để giả lập v.v

Chương 3

MỌ HỊNH TH C NGHIỆM

3.1 T ng quan mô hình th c nghịm chẩn đón k thuật c̉a đ ng cơ

3.1.1 Sơ đ t ng quan mô hình th c nghịm

Mô hình thực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c trên hình 3.1 được thiết kế với ba khối chính: Khối đ ng c , khối thu nhận x lỦ tín hi u vƠ khối lập trình, hiển thị kết quả

Hình 3.1 : Mô hình thực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c

- Khối đ ng c : Đ ng c Toyota 1SZ-FE dùng để theo dõi vƠ chẩn đoán tình trạng kỹ thuật Đ ng c nƠy được gá lắp trên khung giá đỡ vƠ đặt tại trường Đại học Nông Lơm Tp Hồ Chí Minh.

- Khối thu nhận x lỦ tín hi u được thiết kế tích hợp thƠnh m t khối thống nhất

vƠ gắn lên đ ng c bằng bulông Khối nƠy bao gồm: Cảm biến gia tốc MMA7361

có nhi m vụ thu nhận tín hi u rung của đ ng c vƠ truyền tín hi u đến b x lỦ, vi điều khiển PSoC - CY8C3245PV1 có chức năng phơn tích tín hi u rung đ ng thông qua các chư ng trình điều khiển được viết bởi các phần mền trong khối lập trình vƠ hiển thị kết quả, vi điều khiển FTDI-FT1403C thực hi n chuyển đổi các tín hi u kết nối sang chuẩn giao tiếp RS232 và các board mạch x lỦ các tín hi u liên quan khác Khối nƠy g i về khối lập trình, hiển thị kết quả thông qua cáp kết nối USB

- Khối lập trình vƠ hiển thị kết quả gồm: Máy vi tính và các phần mền như LabVIEW thu thập, lập trình, x tín hi u, lưu trữ, hi n thị kết quả, phần mền PsoC Designer lập trình các l nh điều khiển thƠnh các gói dữ li u cho vi điều khiển PsoC, phần mền Orcad dùng để thiết kế mạch đi n

3.1 2 C u trúc vƠ nguyên lý hoạt đ ng mô hình th c nghịm

Dựa trên c sở thiết kế các khối chức năng h thống điều khiển vƠ lập trình x

lỦ tín hi u đầu vƠo vƠ đầu ra của mô hình thực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c ,

mô hình thực nghi m thực hi n có cấu trúc gồm hai khối chức năng chính: Khối thu nhận, x lỦ tín hi u vƠ khối lập trình, hiển thị kết quả đo được thể hi n trên hình 3.2

Hình 3.2: câu tr úc mô hình thực nghi m chẩn đoán kỹ thuật đ ng c

Hoạt đ ng của mô hình thực nghi m dựa trên các chư ng trình điều khiển vƠ lập trình x lỦ tín hi u vƠo vƠ hiển thị kết quả đo thông qua giao tiếp hai chiều giữa hai khối thu nhận, x lỦ tín hi u với khối lập trình, hiển thị kết quả đo

Giao tiếp USB

B thu nhận tín hi u

LabVIEW PSoC Designer Orcad MÁY TÍNH

3.2 Thiết kế, chế tạo b TVE –T01 chẩn đón k thuật đ ng cơ

3.2.1 Quy trình thiết kế và chế tạo

Hình 3.3: Quy trình ch ế tạo

3.2.2 Thiết kế phần c ng

3.2.2.1 Thiết kế khối ngu n

Khối nguồn được thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật như:

- Tính c đ ng trong quá trình thực nghi m, lấy m u, x lỦ, v.v

- Cung cấp được 02 giải đi n áp cần thiết lƠ 5V DC vƠ 3,3V DC

- Dòng đi n cần thiết < 500 mA

Thiết kế nguồn chính 5V DC: Do các yêu cầu cần thiết khá đặc bi t vƠ đặc thù cho công tác thực nghi m trên đ ng c nên luận văn chọn lựa s dụng nguồn đi n

Thiết kế phần cứng

Thiết kế s đồ khối

Thiết kế s đồ chi tiết

Thiết kế mạch in + thi công board mạch

Ráp linh ki n + kiểm tra

Tốt

được cung cấp t cổng USB của máy tính lƠm nguồn cấp đi n chính cho thiết bị Máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA ở đi n áp 5V DC tại m i cổng USB đã được thiết kế sẵn

Hình ảnh cổng USB Chân

kết nối Kết nối cổng USB MƠu sắc

1 V+ nối vƠo pin13,21,22 Đ

2 Data - nối vƠo pin15 Trắng

3 Data+ nối vƠo pin14 Xanh

4 Ground nối vƠo pin16 Đen

Hình 3.4: Cổng USB của máy tính NgoƠi ra nguồn cung cấp 5V DC s dụng nguồn ngoƠi để h trợ khi cần thiết:

Hình 3.5: S đồ nguyên lỦ của nguồn 5V s dụng LD1085V50

Trong đó LD1085V50 lƠ m t IC nguồn tích hợp của mạch nguồn LDO Với dòng đi n định mức đầu ra tải lƠ 3A vƠ có các đầu đi n áp đầu ra cố định 5V Đơy

lƠ loại IC nguồn cung cấp đi n áp đầu ra ổn định, hoạt đ ng ổn định với đầu tản nhi t tốt giúp IC hoạt đ ng tốt trong nhi t đ cho phép Vi c chọn nguồn LDO thiết

kế thay cho vi c s dụng nguốn xung nhằm mục đích khắc phục các nhược điểm quan trọng của nguồn xung lƠ nhi t đ lƠm vi c thấp, đ ổn định đi n áp đầu ra

LD1085V50

LDO với đ phẳng của đi n áp ra thường được chọn để thiết kế cho các mục đích

đo lường đòi h i đ chính xác cao

Thiết kế nguồn chính 3,3V DC

Nguồn 3,3V lƠ nguồn đi n ổn định cần thiết để cung cấp cho các thiết bị khác trên mạch chính, trong đó quan trọng nhất lƠ cung cấp cho cảm biến gia tốc m t

đi n áp ổn định, vƠ đảm bảo công suất cung cấp trên board mạch chính

Hình 3.6: S đồ nguyên lỦ của nguồn 3,3V s dụng ASM1117

Trong đó ASM1117 lƠ m t IC nguồn tích hợp của mạch nguồn LMO Với đầu

đi n áp đầu ra cố định 3,3V Đơy lƠ loại IC nguồn cung cấp đi n áp đầu ra ổn định, hoạt đ ng ổn định với đầu tản nhi t tốt giúp IC hoạt đ ng tốt trong nhi t đ cho phép

3.2.2.2 Thiết kế khối vi đi u khi n PSoC

PSoC lƠ m t t viết tắt của cụm t tiếng anh Programmable System on Chip, nghĩa lƠ h thống khả trình trên m t vi điều khiển Các vi điều khiển chế tạo theo công ngh PSoC cho phép thay đổi được cấu hình đ n giản bằng cách gán chức năng cho các khối tƠi nguyên có sẵn trên vi điều khiển H n nữa nó còn có thể kết nối tư ng đối mềm dẻo các khối chức năng với nhau hoặc giữa các khối chức năng với các cổng vƠo ra Chính vì vậy mƠ PSoC có thể thay thế cho rất nhiều chức năng nền của m t số h thống c bản ch bằng m t đ n vi điều khiển Thành phần của vi

ASM1117

điều khiển PsoC3 bao gồm các khối ngoại vi số vƠ tư ng tự có thể cấu hình được,

m t b vi x lỦ ARM M3, b nhớ chư ng trình (EEROM) có thể lập trình được vƠ

b nhớ RAM khá lớn

Để lập trình h thống cho các vi điều khiển PSoC của Cypress, phải có phần mềm PsoC Designer hoặc Creater cho PsoC3 NgoƠi ra để cƠi được chư ng trình điều khiển vƠo vi điều khiển thì phải có m t kit phát triển do hãng chế tạo chip cung cấp (hoặc m t b nạp) Phần mềm thiết kế được xơy dựng trên c sở hướng đối tượng với cấu trúc module hóa M i khối chức năng lƠ m t module mềm Vi c lập cấu hình cho vi điều khiển như thế nƠo lƠ tùy thu c vƠo lập trình thông qua m t số thư vi n chuẩn Lập trình thiết lập cấu hình trên vi điều khiển ch đ n giản bằng cách muốn vi điều khiển có những chức năng gì thi kéo chức năng đó vƠ thả vƠo khối tƠi nguyên số hoặc tư ng tự, hoặc cả hai tùy theo t ng chức năng Vi c thiết lập ngắt trên chơn nƠo, loại ngắt lƠ gì, các chơn vƠo ra được hoạt đ ng ở chế đ như thế nƠo đều tùy thu c vƠo vi c thiết kế vƠ lập trình cho PSoC Với khả năng đặt cấu hình mạnh m nƠy, m t thiết bị điều khiển, đo lường có thể được gói gọn trên m t chip duy nhất

Hình 3.7: Cấu trúc của m t vi điều khiển PSoC

Hình 3.8: S đồ cấu trúc bên trong của CY8C3245PV1

Vi điều khiển PSoC (CY8C3245PV1) cung cấp:

B vi x lỦ với cấu trúc Harvard:

- Tốc đ của b vi x lỦ ARM Cotex M3

- L nh nhơn 8 bit x 8 bit, thanh ghi tích lũy lƠ 32 bit

- Hoạt đ ng ở tốc đ cao mƠ năng lượng tiêu hao ít

- Dải đi n áp hoạt đ ng t 1,71V tới 5,25V

- Đi n áp hoạt đ ng có thể giảm xuống 1,0 V s dụng chế đ kích đi n áp

- Hoạt đ ng trong dải nhi t đ -400C đến 850C

Các khối ngoại vi có thể được s dụng đ c lập hoặc kết hợp 12 khối ngoại vi

tư ng tự có thể được thiết lập để lƠm các nhi m vụ:

- Các b ADC lên tới 24 bit

- Các b DAC lên tới 9 bit

- Các b khuếch đại có thể lập trình được h số khuếch đại

- Các b lọc vƠ các b so sánh có thể lập trình được 8 khối ngoại vi số có thể được thiết lập

- Các b định thời đa chức năng, đếm sự ki n, đồng hồ thời gian thực, b điều chế đ r ng xung có vƠ không có dải an toƠn (deadband)

- Các modun kiểm tra l i (CRC modunles)

- Hai b truyền thông nối tiếp không đồng b hai chiều, h trợ chuẩn USB

và USB không dây

- Các b truyền thông SPI Master hoặc Slave có thể cấu hình được Có thể kết nối với tất cả các chơn vƠo ra

B nhớ linh hoạt trên vi điều khiển:

- Không gian b nhớ chư ng trình Flash t 128K đến 256K, phụ thu c vƠo

t ng loại vi điều khiển với chu kỳ ghi xóa cho b nhớ Flash lƠ 100000 lần

- Không gian b nhớ RAM lƠ 256 Kbyte

- Vi điều khiển có thể lập trình thông qua chuẩn nối tiếp (ISSP)

- B nhớ Flash có thể được nơng cấp t ng phần

- Chế đ bảo mật đa năng, tin cậy

- Có thể tạo được không gian b nhớ Flash trên vi điều khiển lên tới 2.304 byte

Có thể lập trình được cấu hình cho t ng chơn của vi điều khiển:

- Các chơn vƠo ra ba trạng thái s dụng Trigger Schmitt

- Đầu ra logic có thể cung cấp dòng 25mA với đi n trở treo cao hoặc thấp bên trong

- Thay đổi được ngắt trên t ng chơn

- Đường ra tư ng tự có thể cung cấp dòng tới 40mA

- Đường ra đa chức năng có t 6 đến 44 tùy thu c vƠo t ng loại vi điều khiển

Xung nhịp của vi điều khiển có thể lập trình được:

- B tạo dao đ ng 24/48MHz ở bên trong

- Có thể lựa chọn b dao đ ng ngoƠi lên tới 24MHz

- B dao đ ng thạch anh 32.768 kHz bên trong

- B tạo dao đ ng tốc đ thấp bên trong s dụng cho Watchdog vƠ Sleep Ngoại vi được thiết lập sẵn

- B định thời Watchdog vƠ Sleep phục vụ chế đ an toƠn vƠ chế đ ngh

- Module truyền thông I2C Master vƠ I2C Slave tốc đ lên tới 400 kHz

- Module phát hi n đi n áp thấp được cấu hình bởi người s dụng

3.2.2.3 Thiết kế khối A/D

Khối chuyển đổi đi n áp tư ng tự/số (A/D) được thiết kế đ n giản như hình 3.9

Hình 3.9: Thiết kế khối A/D trong PSoC Khối A/D tích hợp sẵn trong vi điều khiển với 3 kênh đo thông qua vi c cấu

hình thêm m t b dồn kênh MUX tùy theo chế đ lập trình có thể chọn lựa kênh đo